2.1 認識和選購多核CPU
CPU在電腦系統中就像人的大腦一樣，是整個電腦系統的指揮中心，電腦的所有工作都由CPU進行控制和計算。它的主要功能是負責執行系統指令，包括數據存儲、邏輯運算、傳輸控制、輸入/輸出等操作指令。CPU的內部分為控制、存儲和邏輯3大單元，各個單元的分工不同，但組合起來緊密協作，所以其具有強大的數據運算和處理能力。
2.1.1 通過外觀認識多核CPU
中央處理器（Central Processing Unit，CPU）既是電腦的指令中樞，也是系統的最高執行單位。CPU主要負責指令的執行，作為電腦系統的核心組件，在電腦系統中占有舉足輕重的地位，是影響電腦系統運算速度的重要部件。圖2-1所示為Intel CPU的外觀。
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圖2-1 Intel CPU的外觀
從外觀上看，CPU主要分為正面和背面兩個部分，由於CPU的正面刻有各種產品參數，所以也稱為參數面；CPU的背面主要是與主板上的CPU插槽接觸的觸點，所以也被稱為安裝面。
- 防誤插缺口：防誤插缺口是CPU邊緣上的半圓形缺口，它的功能是防止在安裝CPU時，由於方向錯誤造成損壞。
- 防誤插標記：防誤插標記是CPU一個角上的小三角形標記，功能與防誤插缺口一樣，在CPU的兩面通常都有防誤插標記。
- 產品二維碼：CPU上的產品二維碼是Datamatrix二維碼，它是一種矩陣式二維條碼，其最小尺寸是目前所有條碼中最小的，可以直接印刷在實體上，主要用於CPU的防偽和產品統籌。圖2-2所示為AMD CPU參數面上的產品二維碼。
圖2-2 產品二維碼
2.1.2 確認CPU的基本信息
確認CPU的信息對於認識和選購CPU產品非常重要，通過查看CPU的基本信息，可以了解CPU的品牌、型號、頻率、核心、緩存等詳細的產品規格參數，有助於選購CPU和辨別CPU的真偽。CPU的基本信息通常是通過軟件進行檢測並確認的，也可以通過Windows操作系統檢測並確認。
- 通過Windows操作系統確認：Windows操作系統安裝后需要檢測電腦系統的硬件，可以查看CPU的基本信息。方法是單擊“開始”按鈕，在彈出的“開始”菜單的“電腦”選項上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“屬性”命令，打開“系統”窗口，在“系統”欄中即可查看CPU的基本信息，如圖2-3所示。但這種方式只顯示CPU的處理器號和頻率信息。
圖2-3 操作系統中的CPU信息 - 通過CPU專業測試軟件確認：目前市面上CPU產品主要有Intel（英特爾）和AMD（超威）兩大品牌，針對這兩個品牌的CPU產品都有專業的產品信息檢測軟件。檢測Intel的CPU產品通常使用Intel（R） Processor Identification Utility軟件，如圖2-4所示。檢測AMD的CPU產品通常使用CPU-Z軟件，如圖2-5所示。另外，CPU-Z軟件同樣可以對Intel的CPU產品進行檢測，如圖2-6所示。
圖2-4 Intel CPU測試軟件
圖2-5 AMD CPU測試軟件
圖2-6 CPU-Z測試Intel CPU - 通過專業電腦硬件防護軟件確認：確認CPU信息的軟件還可利用專業電腦硬件防護軟件。這類軟件可以檢測電腦中的各種硬件，顯示詳細的產品信息，並按照產品規格安裝對應的驅動程序；還可以對這些硬件進行性能測試，在硬件運行過程中對其運行狀態進行實時監控。最具代表性的軟件就是魯大師，如圖2-7所示。
圖2-7 魯大師確認CPU信息
2.1.3 利用處理器號區分CPU的性能
處理器號就是CPU的生產廠商為其進行的編號和命名，通過不同的處理器號，就可以區分CPU的性能高低。CPU的生產廠商主要有Intel、AMD、VIA（威盛）和龍芯（Loongson），市場上銷售的主要是Intel和AMD的產品，所以，CPU的處理器號主要分為兩種類型。
微課：常見CPU理論性能對比
- Intel（英特爾）：全球最大的半導體芯片制造商，從1968年成立至今已有40多年的歷史，目前主要有奔騰（Pentium）雙核、酷睿（Core）i3、i5、i7、凌動（移動CPU）等系列的CPU產品。圖2-8所示為Intel公司生產的CPU，其處理器號為“Intel酷睿i5-3570K”，其中的“Intel”代表公司名稱；“酷睿i5”代表CPU系列；“3570K”中，“3”代表它是該系列CPU的第三代產品，“570”代表CPU的處理主頻和酷睿超頻后的主頻高低，也有可能代表了CPU內部集成的顯卡芯片的等級高低，“K”代表該CPU沒有鎖住倍頻。
圖2-8 Intel 酷睿 i5-3570K - AMD（超威）：成立於1969年，是全球第二大微處理器芯片供應商，多年來，AMD公司一直是Intel公司的強勁對手。目前主要產品有閃龍（Sempron）、速龍（Athlon）、速龍Ⅱ、羿龍（Phenom），APU A4、A6、A8、A10和A12系列，以及推土機（AMD FX）系列等，圖2-9所示為AMD公司生產的CPU，其處理器號為“AMD速龍Ⅱ X4 730”，其中的“AMD”代表公司名稱；“速龍Ⅱ”代表CPU系列；“X4”代表它是4核心的產品；“730”代表CPU的型號。
圖2-9 AMD速龍Ⅱ X4 730
根據Intel和AMD CPU處理器號的命名規則，通常情況下，在同一廠商的處理器號中，后面代表主頻的數字越大，頻率越高，集成顯卡的芯片等級越高，圖2-10為目前常見的CPU默認頻率的性能對比圖，也是平常所說的性能天梯圖。
圖2-10 常見CPU理論性能對比
2.1.4 睿頻技術提升CPU的頻率
CPU頻率是指CPU的時鍾頻率，簡單地說就是CPU運算時的工作頻率（1秒內發生的同步脈沖數）的簡稱。CPU的頻率代表了CPU的實際運算速度，單位有Hz、kHz、MHz和GHz。理論上，CPU的頻率越高，在一個時鍾周期內處理的指令數就越多，CPU的運算速度也就越快，CPU的性能也就越高。
CPU實際運行的頻率與CPU的外頻和倍頻有關，其計算公式為：實際頻率＝外頻×倍頻，這個頻率通常也被稱為主頻。
- 外頻：外頻是CPU與主板之間同步運行的速度，即CPU的基准頻率。外頻速度高，CPU就可以同時接收更多來自外設的數據，從而使整個系統的運行速度提高。
- 倍頻：倍頻是CPU運行頻率與系統外頻之間的差距參數，也稱為倍頻系數，在相同的外頻條件下，倍頻越高，CPU的頻率就越高。
- 睿頻：這是一種智能提升CPU頻率的技術，是指當啟動一個運行程序后，處理器會自動加速到合適的頻率，而原來的運行速度會提升10%~20%以保證程序流暢運行的技術。Intel品牌CPU的睿頻技術叫做TB（Turbo Boost），AMD品牌CPU的睿頻技術叫做TC（Turbo Core），圖2-11所示為Intel CPU的睿頻廣告，該CPU基本頻率為4.0GHz，但最大睿頻率為4.2GHz。
圖2-11 CPU睿頻廣告
2.1.5 8核CPU的性能優勢
CPU的核心又稱為內核，是CPU最重要的組成部分，CPU中心那塊隆起的芯片就是核心，是由單晶硅以一定的生產工藝制造出來的，CPU所有的計算、接收/存儲命令和處理數據都由核心完成，所以，核心產品的規格會顯示出CPU的性能高低。8核CPU是指具有8個核心的CPU，體現CPU性能的且與核心相關的參數主要有以下幾種。
核心數量：過去的CPU只有一個核心，現在則有2個、3個、4個、6個或8個核心，這歸功於CPU多核心技術的發展。多核心是指基於單個半導體的一個CPU上擁有多個一樣功能的處理器核心，即是將多個物理處理器核心整合入一個核心中。並不是說核心數量決定了CPU的性能，多核心CPU的性能優勢主要體現在多任務的並行處理，即同一時間處理兩個或多個任務，但這個優勢需要軟件優化才能體現出來。例如，如果某軟件支持類似多任務處理技術，雙核心CPU（假設主頻是2.0GHz）可以在處理單個任務時，兩個核心同時工作，一個核心只需處理一半任務就可以完成工作，這樣的效率可以等同於是一個4.0G主頻的單核心CPU的效率。
知識提示
多核心CPU的性能對比
目前，Intel CPU的核心數量最多為6核，AMD CPU的核心數量最多為8核。可以說在同一個品牌的CPU中，在相同主頻的情況下，核心越多，CPU性能越強。- 線程數：線程是CPU運行中的程序的調度單位，通常所說的多線程是指可通過復制CPU上的結構狀態，讓同一個CPU上的多個線程同步執行並共享CPU的執行資源，可最大限度提高CPU運算部件的利用率。線程數越多，CPU的性能也就越高。但需要注意的是，線程這個性能指標通常只用在Intel的CPU產品中，如Intel酷睿三代i7系列的CPU基本上都是8線程和12線程的產品。
- 核心代號：核心代號也可以看成CPU的產品代號，即使是同一系列的CPU，其核心代號也可能不同。比如Intel的就有Trinity、Sandy Bridge、Ivy Bridge、Haswell、Broadwell和Skylake等；AMD的有Richland、Trinity、Zambezi和Llano等。
熱設計功耗（TDP）：TDP（Thermal Design Power）是指CPU的最終版本在滿負荷（CPU利用率為理論設計的100%）可能會達到的最高散熱量。在TDP最大的時候，散熱器必須保證CPU的溫度仍然在設計范圍之內。隨着現在多核心技術的發展，同樣核心數量下，TDP越小，性能越好。目前的主流CPU的TDP值有15W、35W、45W、55W、65W、77W、95W、100W和125W。
知識提示
TDP值與實際功耗的關系
CPU的核心電壓與核心電流時刻都處於變化之中，因而CPU的實際功耗（功率P＝電流A×電壓V）也會不斷變化，因此TDP值並不等同於CPU的實際功耗，更沒有算術關系。由於廠商提供的TDP數值肯定留有一定的余地，對於具體的CPU而言，TDP應該大於CPU的峰值功耗。
2.1.6 納米CPU的制作工藝
CPU的制作工藝（也叫做CPU制程）直接關系到CPU的電氣性能，密度愈高，意味着在同樣大小面積的電路板中具有更復雜的電路設計。現在主流CPU的制作工藝為45nm（納米）、32nm、22nm和14nm。
CPU的制作工藝是指CPU內電路與電路之間的距離，趨勢是向密度更高的方向發展，密度愈高的電路設計，意味着在同樣大小面積的產品中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。CPU制作工藝的納米數越小，同等面積下晶體管數量越多，工作能力越強大，相對功耗越低，更適合在較高的頻率下運行，所以也更適合超頻。
下面簡單介紹一下CPU制作工藝的流程。
- 硅提純：生產CPU等芯片的材料是半導體——硅Si。在硅提純的過程中，原材料硅將被熔化，並放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍着這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。
- 切割晶圓：硅錠被整型成一個完美的圓柱體，接下來將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才真正用於CPU的制造，通常晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的CPU成品就越多。
- 影印：在經過熱處理得到的硅氧化物層上面塗敷一種光阻物質，紫外線通過印制着CPU復雜電路結構圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的位置光阻物質溶解。
- 蝕刻：使用短波長的紫外光透過石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光；然后停止光照並移除遮罩，使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼着抗蝕膜的一層硅；最后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區域的導電狀態，以制造出CPU的門電路。這一步是CPU生產過程中的重要操作。
- 重復、分層：為加工新的一層電路，再次生長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，塗敷光阻物質，重復影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重復多遍，形成一個3D的結構，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體，層數決定於設計時CPU的布局以及通過的電流大小。
- 封裝：將晶圓封入一個陶瓷或塑料的封殼中，越高級的CPU封裝越復雜，也能帶來芯片電氣性能和穩定性的提升，並能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。
- 多次測試：測試是CPU制作的重要環節，也是一塊CPU出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯以及這些差錯出現在哪個步驟，通常每個CPU核心都將被分開測試，在將CPU放入包裝盒前都還要進行最后一步測試。圖2-12所示為CPU的晶圓和晶圓中的CPU核心。
圖2-12 CPU晶圓
2.1.7 緩存對CPU的重要意義
緩存是指可進行高速數據交換的存儲器，它先於內存與CPU進行交換數據，速度極快，所以又稱為高速緩存。緩存大小是CPU的重要性能指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大。CPU緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大於系統內存和硬盤。
CPU緩存一般分為L1、L2和L3。當CPU要讀取一個數據時，首先從L1緩存中查找，若沒有找到再從L2緩存中查找，若還是沒有則從L3緩存或內存中查找。一般來說，每級緩存的命中率都在80%左右，也就是說全部數據量的80%都可以在一級緩存中找到，由此可見L1緩存是整個CPU緩存架構中最為重要的部分。
- L1緩存（Level 1 Cache）：也叫一級緩存，位於CPU內核的旁邊，是與CPU結合最為緊密的CPU緩存，也是歷史上最早出現的CPU緩存。由於制造一級緩存的技術難度和制造成本最高，提高容量所帶來的技術難度和成本增加非常大，所帶來的性能提升卻不明顯，性價比很低，因此一級緩存是所有緩存中容量最小的。
- L2緩存：也叫二級緩存，主要用來存放電腦運行時操作系統的指令、程序數據和地址指針等數據。L2緩存容量越大，系統的速度越快，因此Intel與AMD公司都盡最大可能加大L2緩存的容量，並使其與CPU在相同頻率下工作。
L3緩存：也叫三級緩存，分為早期的外置和現在的內置，實際作用是進一步降低內存延遲，同時提升大數據量計算時處理器的性能。降低內存延遲和提升大數據量計算能力對運行大型場景文件很有幫助。
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L1、L2、L3緩存的性能比較
在理論上，三種緩存對於CPU性能的影響是L1>L2>L3，但由於L1緩存的容量在現有技術條件下已經無法增加，所以L2和L3緩存才是CPU性能表現的關鍵，在CPU核心不變化的情況下，增加L2或L3緩存容量，能使CPU性能大幅度提高。現在，在選購CPU時，標准的高速緩存通常是指該CPU具有的最高級緩存的容量，如具有L3緩存就是L3緩存的容量。圖2-13所示的“8MB處理器高速緩存”是指該款CPU的L3緩存的容量。
圖2-13 CPU的高速緩存
2.1.8 不同的CPU接口類型
CPU需要通過某個接口與主板連接才能進行工作，經過這么多年的發展，CPU采用的接口類型有引腳式、卡式、觸點式、針腳式等。而目前CPU的接口類型都是針腳式接口，對應到主板上有相應的插槽。
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CPU接口類型不同，其插孔數、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。目前常見的CPU接口類型分為Intel和AMD兩個系列。
- Intel CPU：包括LGA 2011-v3、LGA 2011、LGA 1151、LGA 1150、LGA 1155，圖2-14所示為不同類型的Intel CPU接口。
圖2-14 Intel CPU的不同接口 - AMD CPU：其接口類型多為插針式，與Intel的觸點式有區別，包括Socket AM3+、Socket AM3、Socket FM2+、Socket FM2、Socket FM1，圖2-15所示為不同類型的AMD CPU接口。
圖2-15 AMD CPU的不同接口
2.1.9 處理器顯卡增強顯示性能
處理器顯卡（也稱為核心顯卡）技術是新一代的智能圖形核心技術，它把顯示芯片整合在智能CPU當中，依托CPU強大的運算能力和智能能效調節設計，在更低功耗下實現同樣出色的圖形處理性能。
在處理器中整合顯卡，大大縮短了處理核心、圖形核心、內存及內存控制器間數據的周轉時間，有效提升了處理效能，並大幅降低了芯片組的整體功耗，有助於縮小核心組件的尺寸。通常情況下，Intel的處理器顯卡會在安裝獨立顯卡時自動停止工作；AMD的APU在Windows 7及更高版本操作系統中，如果安裝了適合型號的AMD獨立顯卡，經過設置，可以實現處理器顯卡與獨立顯卡混合交火（意思是電腦進行自動分工，小事讓能力小的處理器顯卡處理，大事讓能力大的獨立顯卡去處理）。目前Intel的各種系統的CPU和AMD的APU系列中都有整合了處理器顯卡的產品。
2.1.10 內存控制器與虛擬化技術
內存控制器（Memory Controller）是電腦系統內部控制內存，並且通過內存控制器使內存與CPU之間交換數據的重要組成部分。虛擬化技術（Virtualization Technology，VT）是指將單台電腦軟件環境分割為多個獨立分區，每個分區均可以按照需要模擬電腦的一項技術。這兩個因素都將影響CPU的工作性能。
- 內存控制器：決定了電腦系統所能使用的最大內存容量、內存Bank數、內存類型和速度、內存顆粒數據深度和數據寬度等等重要參數，也就是決定了電腦系統的內存性能，也會對電腦系統的整體性能產生較大影響。所以，CPU的產品規格應該包括該CPU所支持的內存類型。圖2-16所示為一款i7 CPU支持的內存類型。
圖2-16 CPU支持的內存 虛擬化技術：虛擬化方式有傳統的純軟件虛擬化（無需CPU支持VT技術）和硬件輔助虛擬化（需CPU支持VT技術）兩種。純軟件虛擬化運行時的開銷會造成系統運行速度減慢，所以，支持VT技術的CPU在基於虛擬化技術的應用中，效率將會明顯比不支持硬件VT技術的CPU的效率高出許多。目前CPU產品的虛擬化技術主要有Intel VT-x、Intel VT和AMD VT 3種。
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在Windows 7/10中運用VT技術的意義
CPU的VT技術用於提升Windows 7/10的兼容性，可以讓用戶運行基於Windows XP等以前操作系統開發的軟件。